核电站关键设备存储装置的抗震性能研究

李 华，赵英昆，孟祥盖，李 宁，缪 岭

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

安全壳作为防止放射性物质泄漏的最后一道屏障，它的密封性和安全性对减少核事故对公众和环境的影响有至关重要的作用[1,2]。设备闸门安装在反应堆安全壳上，是安全壳最大的开孔，要满足安全壳要求的密封性和安全性，并在核电厂建造安装和停堆换料期间，作为反应堆厂房内大型设备的进出通道。

设备闸门作为安全壳压力边界的一部分，是核岛重要的机械设备。在安全壳穹顶吊装之前，设备闸门封头被运入核岛，放于存储装置上，等待压力容器、蒸汽发生器、堆内构件等设备进入核岛。同时，该存储装置不仅可以用于核电厂中设备闸门的存储，也可用于乏燃料设备的存储。在此期间，必须保证存储装置的结构强度和稳定性，并且能够承受OBE 地震载荷。因此，对乏燃料干式存储设备的结构稳定性和抗震性能的研究有重要的意义。

1 存储装置模型建立

1.1 几何模型

设备闸门存储装置主体结构由导轨梁、立柱、两侧斜撑、下部横梁、壁面梁架和钢带等组成，所有型钢材料采用Q345C。为准确模拟设备的抗震性能，本文将设备闸门封头及其存储装置全部建模，模拟实际工况下结构的抗震性能。

设备闸门存储装置的立柱、长横梁以及壁面梁架均为H 型钢，上端支撑设备闸门的水平梁结构由钢板焊接而成，所有连接采用螺栓结构。长横梁上设有两组连接板对封头进行辅助约束，两侧立柱外侧设有斜支撑梁以增加装置整体稳定性，两侧横梁间设有钢带，可约束闸门封头法向位移，增加抗震稳定性。设备闸门及存储装置整体结构模型如图1所示。

图1 设备闸门存储装置整体结构模型Fig.1 The structure model of equipment hatch storage equipment

1.2 网格划分

在设备闸门存储装置的有限元分析中，建立有限元模型是关键，而进行网格划分时，必须选取合适的单元。考虑到闸门封头和存储装置钢结构等部分均为典型的薄壳结构，采用壳单元模拟既可以简化模型又能显著减少计算量，提高模型的分析处理效率[3,4]。因此，本文中闸门封头及所有支撑立柱和水平梁等主体梁架结构均采用SHELL181 单元建立，采用BEAM188 单元建立水平梁架和支撑立柱间连接的螺栓，采用LINK180单元建立两侧抗震拉杆。

1.3 载荷及位移边界条件

设备闸门存储装置是安装在安全壳内壁上的钢结构，与安全壳内壁上的预埋件焊接固定，两侧设有抗震拉杆，抗震拉杆可提高装置整体的稳定性。计算中，存储装置梁架、抗震拉杆与预埋板焊接处约束了全部自由度，钢带和设备闸门封头接触处耦合了法向自由度。设备闸门封头通过4 个滚轮小车作用于水平梁上，模型在水平梁与封头小车作用范围耦合了全部自由度。设备闸门存储装置有限元模型及边界条件如图2所示。

设备闸门是安全壳上最大的开孔，也是主要的承压边界。存放于存储装置上的设备闸门组件总重约42 t，存储装置总重约10 t。本文在存储装置整体结构的抗震分析中，将存储装置和所承载的设备闸门组件全部建模，计算时仅定义对应材料的密度即可考虑整体模型的自重载荷。同时，在抗震计算中考虑的OBE 地震载荷采用存储装置安装标高处的楼层响应谱作为计算输入。

图2 设备闸门存储装置有限元模型及边界条件示意图Fig.2 The finite element model and boundary conditions of equipment hatch storage equipment

2 存储装置抗震计算

2.1 模态分析

进行响应谱分析之前，首先需要进行模态分析，本文采用Block Lanczos 方法，前25 阶频率计算结果见表1。

表1 模态分析结果Table 1 The result of modal analysis

设备闸门和存储装置的前四阶振型如图3～图6 所示。由于计算时考虑了设备闸门与存储装置钢结构的共同作用，模态分析结果显示，前3 阶振型主要为钢带和设备闸门振动。因此，在对存储装置抗震分析时，本文将存储装置与设备闸门的前4阶振型结果分开显示。单独提取出的存储装置前4阶振型如图7～图10所示。

由图7可知，一阶振型主要为辅助约束设备闸门的钢带振动。由图8和图9可知，二、三阶振型中，存储装置主体结构开始振动，其中底部横梁振动最为显著。由图10 可知，四阶振型中，上部水平支撑梁开始振动。

图3 设备闸门和存储装置一阶振型Fig.3 The first vibration mode of equipment hatch storage equipment

图4 设备闸门和存储装置二阶振型Fig.4 The second vibration mode of equipment hatch storage equipment

图5 设备闸门和存储装置三阶振型Fig.5 The third vibration mode of equipment hatch storage equipment

图6 设备闸门和存储装置四阶振型Fig.6 The fourth vibration mode of equipment hatch storage equipment

图7 存储装置一阶振型Fig.7 The first vibration mode of storage equipment

图8 存储装置二阶振型Fig.8 The second vibration mode of storage equipment

图9 存储装置三阶振型Fig.9 The third vibration mode of storage equipment

图10 存储装置四阶振型Fig.10 The fourth vibration mode of storage equipment

2.2 响应谱分析

由表1 中的模态分析结果可知，第25 阶频率开始大于截断频率，各个方向参与振动的有效质量之和均达到了总质量的90%。所以，进行响应谱分析时，本文选择前25 阶频率进行计算[5]。存储装置安装标高处的各个方向的加速度响应频谱值如表2所示。

进行响应谱分析时，各阶振型响应的组合采用平方和的平方根方法，3个方向地震响应的组合也采用平方和的平方根（SRSS）方法。进行响应谱分析后，本文对计算结果进行刚体修正：将X、Y、Z 方向上的零周期加速度乘以各个方向的剩余质量施加到模型上，将该计算结果与响应谱分析结果组合[5]。

3 存储装置计算结果分析

前面对设备闸门存储装置进行了抗震计算，这里将对存储装置整体钢结构抗震性能和连接螺栓强度进行详细分析，研究OBE 地震工况下，设备闸门存储装置结构的强度和稳定性。

3.1 存储装置整体结构分析

设备闸门和存储装置在OBE 地震工况下的薄膜应力分布云图、薄膜加弯曲应力分布云图如图11和图12所示。由图可知，应力较大处主要位于设备闸门存储装置的上部水平梁架支撑设备闸门处、下横梁连接板处和壁面梁架与设备闸门连接处。

表2 加速度响应频谱值Table 2 The FFT spectrum of acceleration response

单独提取的存储装置模型的应力云图如图13 和图14 所示。最大应力产生于水平梁架支撑设备闸门处，最大薄膜应力σm=171 MPa，最大薄膜加弯曲应力σm+σb=215 MPa（σb为弯曲应力）。本文根据RCC-M 规范中的B 级准则进行评定，σm＜1.0 S=295 MPa，σm+σb＜1.5 S=295 MPa。因此，在OBE 地震工况下，设备闸门存储装置的强度满足RCC-M规范[6]的要求。

图11 设备闸门和存储装置薄膜应力云图Fig.11 The membrane stress of equipment hatch storage equipment

图12 设备闸门和存储装置薄膜加弯曲应力云图Fig.12 The membrane plus bending stress of equipment hatch storage equipment

图13 存储装置薄膜应力云图Fig.13 The membrane stress of storage equipment

图14 存储装置薄膜加弯曲应力云图Fig.14 The membrane plus bending stress of storage equipment

3.2 连接螺栓强度分析

由于设备闸门组件和存储装置钢结构的总重量达到52 t，为了便于后期拆除，存储装置均采用螺栓连接的梁架结构。因此，本文必须对连接螺栓在OBE地震工况下的强度进行校核。

在存储装置钢结构中，所有连接螺栓均采用8.8级M30的35CrMoA材料的高强度螺栓，该螺栓许用拉伸应力为400 MPa，许用剪切应力达到250 MPa。依据抗震计算结果，本文提取出所有连接螺栓最大受力情况，如表3所示。M30螺栓的应力截面积[7]为A=561 mm2，预紧力最大值[8]P=341 kN，屈服强度[9]Sy=835 MPa，计算得到的连接螺栓的最大拉伸应力和最大剪切应力列于表3中。在OBE地震工况下，存储装置连接螺栓按照RCC-M中的B级准则[6]校核，结果显示，所有连接螺栓强度均满足要求。

表3 螺栓最大应力情况及评定Table 3 The limit stress and assessment of bolts

4 结论

本文采用有限元法对设备闸门存储装置建立了完整的有限元模型，分析了存储装置在OBE 地震工况下的结构强度和稳定性，得到结论如下：

（1）设备闸门存储装置在OBE地震工况下的应力最大处位于上部水平梁架支撑设备闸门处；

（2）在OBE 地震工况下，设备闸门存储装置梁架结构的强度低于其许用应力值，满足RCC-M规范的要求；

（3）在OBE地震工况下，设备闸门存储装置钢结构的连接螺栓强度满足RCC-M规范的要求。